L14-光電材料復(fù)習

2023/2/41光電材料課程

復(fù)習提綱2023/2/42一、半導(dǎo)體中的載流子

1本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體

2電子和空穴的統(tǒng)計分布

3費米能級與載流子濃度的計算

4簡并半導(dǎo)體

5電導(dǎo)率和遷移率霍爾效應(yīng)

6非平衡載流子二、p-n結(jié)

1p-n結(jié)及其能帶圖

2p-n結(jié)電流電壓特性

3p-n結(jié)電容

4p-n結(jié)擊穿2023/2/43三、固體表面及界面接觸現(xiàn)象

1表面態(tài)

2表面電場效應(yīng)

3金屬與半導(dǎo)體的接觸

4MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性四、固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

1半導(dǎo)體的光吸收

2半導(dǎo)體的光電效應(yīng)

3半導(dǎo)體發(fā)光五、半導(dǎo)體光電材料

1硅基和化合物光電材料六、光電材料的應(yīng)用

1光電顯示材料

2太陽能電池試題類型一、填空

(30分，每空1分)二、名詞解釋（每題2分，共20分）三、問答題（任選3題，每題10分，共30分）四、計算與求證題（每題

10分，共20分）2023/2/44§1半導(dǎo)體中的載流子本征半導(dǎo)體—化學成分純凈的半導(dǎo)體。載流子:

半導(dǎo)體中的電子和空穴都是荷電粒子，并可在半導(dǎo)體內(nèi)自由運動，統(tǒng)稱為載流子。因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合。

本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。本征激發(fā)：在常溫下，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。2023/2/45§1半導(dǎo)體中的載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。p型半導(dǎo)體：摻入受主雜質(zhì)后空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。n型半導(dǎo)體：摻入施主雜質(zhì)后自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。2023/2/46§1半導(dǎo)體中的載流子摻雜施主濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度時，自由電子濃度會遠大于空穴濃度。這時自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。2023/2/47§1半導(dǎo)體中的載流子費米分布函數(shù)在熱平衡條件下，能量為E的狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率為：費米能級：

是標志系統(tǒng)中電子填充量子態(tài)高低的一個參量，在絕對零度下，它是電子所能填充的最高量子態(tài)。

稱為費米分布函數(shù)2023/2/48§1半導(dǎo)體中的載流子

其中：NC被稱為導(dǎo)帶有效能級密度

其中：NV被稱為價帶有效能級密度電中性方程：對于非簡并的雜質(zhì)半導(dǎo)體，總是成立的，稱為質(zhì)量作用定律2023/2/49§1半導(dǎo)體中的載流子雜質(zhì)補償：由于受主的存在使導(dǎo)帶電子數(shù)減少，這種作用稱為雜質(zhì)補償深能級雜質(zhì)：電離能比較大的雜質(zhì)2023/2/410§1半導(dǎo)體中的載流子簡并半導(dǎo)體

費米能級EF進入導(dǎo)帶或價帶的半導(dǎo)體。

①

非簡并<-2

即，EC–EF>2kBT

②

弱簡并-2<

<0

即，0<EC–EF<2kBT

③

簡并

>0

即，EC–EF<02023/2/411§1半導(dǎo)體中的載流子電導(dǎo)率、遷移率和霍爾效應(yīng)其中n為電子遷移率其中p為空穴遷移率

電導(dǎo)率σ遷移率p2023/2/412§1半導(dǎo)體中的載流子對于兩種載流子的濃度相差懸殊而遷移率差別不大的雜質(zhì)半導(dǎo)體來說，其電導(dǎo)率取決于多數(shù)載流子。①n型半導(dǎo)體n>>p②p型半導(dǎo)體p>>n③

本征半導(dǎo)體n=p=ni2023/2/413§1半導(dǎo)體中的載流子2023/2/414§1半導(dǎo)體中的載流子低溫范圍內(nèi)，載流子以雜質(zhì)激發(fā)為主，σ因雜質(zhì)濃度而不同。高溫范圍內(nèi)，載流子以本征激發(fā)為主，σ趨于一致。中間溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)全部電離，晶格散射隨溫度加強，使遷移率下降，因此σ隨溫度的升高反而下降。2023/2/415§1半導(dǎo)體中的載流子霍爾效應(yīng)

把通有電流的半導(dǎo)體放在均勻磁場中，磁場方向和電場垂直，則在垂直于電場和磁場的方向?qū)a(chǎn)生一個橫向電場，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

2023/2/416§1半導(dǎo)體中的載流子霍爾電壓：I:電流強度t:樣品厚度2023/2/417§1半導(dǎo)體中的載流子總霍爾系數(shù)：本征半導(dǎo)體：霍爾系數(shù)為負n型半導(dǎo)體：霍爾系數(shù)為負p型半導(dǎo)體：低溫下霍爾系數(shù)為正高溫下霍爾系數(shù)變?yōu)樨?/p>

2023/2/418§1半導(dǎo)體中的載流子非平衡狀態(tài)半導(dǎo)體在外界條件作用下，處于與熱平衡態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。非平衡狀態(tài)下載流子濃度與熱平衡狀態(tài)下載流子濃度的差值，稱為非平衡載流子。式中，n和p為非平衡狀態(tài)下的載流子濃度，△n和△p為非平衡載流子濃度。2023/2/419§1半導(dǎo)體中的載流子①n型半導(dǎo)體平衡態(tài)時的多數(shù)載流子為電子n０

非平衡多數(shù)載流子為△n

，非平衡少數(shù)載流子為△p

②p型半導(dǎo)體平衡態(tài)時的多數(shù)載流子為空穴p０非平衡多數(shù)載流子為△p

，非平衡少數(shù)載流子為△n通常說的非平衡載流子都是指非平衡少數(shù)載流子由于電子和空穴同時產(chǎn)生成對出現(xiàn)所以2023/2/420§1半導(dǎo)體中的載流子擴散

擴散產(chǎn)生原因：載流子濃度分布不均勻用適當波長的光均勻照射半無限的n型半導(dǎo)體，其表面載流子的濃度比體內(nèi)多。

式中，Dp為空穴擴散系數(shù)，Sp為空穴擴散流密度

，稱為擴散長度2023/2/421§1半導(dǎo)體中的載流子

擴散長度Lp反映非平衡載流子在遭遇復(fù)合前平均能擴散多遠，其物理意義是非平衡載流子濃度降至1/e所需要的距離。愛因斯坦關(guān)系式其中kB為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對溫度2023/2/422§1半導(dǎo)體中的載流子電子和空穴在擴散運動和漂移運動中都伴隨電流的出現(xiàn)?？昭娏鳎弘娮与娏鳎嚎傠娏鳎?023/2/423§2p-n結(jié)突變結(jié):在界面處雜質(zhì)濃度由NA（p型）突變?yōu)镹D（n型）,具有這種雜質(zhì)分布的p-n結(jié)稱為突變結(jié)。如圖5-3單邊突變結(jié)：實際的突變結(jié)，兩邊雜質(zhì)濃度相差很多，通常稱這種結(jié)為單邊突變結(jié)。突變結(jié)的雜質(zhì)分布：x<xj，N(x)=NA；x>xj，N(x)=ND2023/2/424§2p-n結(jié)擴散法制備工藝：如圖5-4緩變結(jié):在這種結(jié)中，雜質(zhì)濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的。2023/2/425§2p-n結(jié)緩變結(jié)的雜質(zhì)分布：如圖5-5x<xj，NA(x)>ND(x)；x>xj，ND(x)>NA(x)線性緩變結(jié)：在擴散結(jié)中，若雜質(zhì)分布可用x=xj的切線近似表示，則稱為線性緩變結(jié)。2023/2/426§2p-n結(jié)

綜上所述，p-n結(jié)按雜質(zhì)分布可分為突變結(jié)和線性緩變結(jié)。合金結(jié)和高表面濃度的淺擴散結(jié)（p+-n結(jié)或n+-p結(jié)），一般認為是突變結(jié)。而低表面濃度的深擴散結(jié)，一般認為是線性緩變結(jié)。內(nèi)建電場：p-n結(jié)中空間電荷區(qū)內(nèi)由電離施主和受主形成的由n區(qū)指向p區(qū)的電場。2023/2/427§2p-n結(jié)p-n結(jié)的能帶圖

當兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成p-n結(jié)時，電子從費米能級高的n區(qū)流向費米能級低的p區(qū)，空穴從費米能級低的p區(qū)流向費米能級高的n區(qū)。因此，EFn不斷下降，EFp不斷上升，直到EFn

=

EFp為止。這時，p-n結(jié)中有統(tǒng)一的費米能級EF

，p-n結(jié)處于平衡狀態(tài)。如圖5-72023/2/428§2p-n結(jié)2023/2/429§2p-n結(jié)

上式表明，VD和p-n結(jié)兩邊的摻雜濃度、溫度、材料的禁帶寬度有關(guān)。在一定溫度下，突變結(jié)兩邊的摻雜濃度越高，接觸電勢差VD越大；禁帶寬度越大，ni越小，VD越大。因為，則2023/2/430§2p-n結(jié)即，由圖5-13可見，2023/2/431§2p-n結(jié)（b）外加反向偏壓由圖5-14可見，2023/2/432§2p-n結(jié)

當增加正偏壓時，勢壘降得更低，增大了流入p區(qū)的電子流和流入n區(qū)的空穴流，這種由于外加正向偏壓的作用使非平衡載流子進入半導(dǎo)體的過程稱為非平衡載流子的電注入。非平衡載流子：由于外界激發(fā)的作用，系統(tǒng)中高于熱平衡數(shù)值的“過?！陛d流子。2023/2/433§2p-n結(jié)

理想p-n結(jié)模型及電流電壓方程

1.理想p-n結(jié)必須滿足以下條件：（a）小注入條件：注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多。（b）突變耗盡層條件：外加電壓和接觸電勢差都降落在耗盡層上，耗盡層中的電荷由電離施主和電離受主的電荷組成，耗盡層外的半導(dǎo)體是電中性的。因此，注入的少數(shù)載流子在p區(qū)和n區(qū)是純擴散運動。（c）通過耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用。（d）玻耳茲曼邊界條件：在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計分布。2023/2/434§2p-n結(jié)令則上式為理想p-n結(jié)模型的電流電壓方程，又稱為肖克萊方程。理想p-n結(jié)模型的電流電壓方程式：2023/2/435§2p-n結(jié)從p-n結(jié)模型的電流電壓方程可以看出：（a）p-n結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

在正向偏壓下，正向電流密度隨正向偏壓呈指數(shù)增加；在反向偏壓下，反向電流密度為常數(shù)，與外加電壓無關(guān)，故稱為-Js為反向飽和電流密度。p-n結(jié)在正向偏壓下具有單向?qū)ㄐ裕诜聪蚱珘合戮哂姓魈匦浴?023/2/436§2p-n結(jié)p–n結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢壘區(qū)的“存入”和“取出”作用，導(dǎo)致勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這和一個電容器的充放電作用相似。這種p–n結(jié)的電容效應(yīng)稱為勢壘電容，以CT表示。

2023/2/437§2p-n結(jié)雪崩擊穿：在強電場的作用下，p-n結(jié)內(nèi)載流子獲得加速后具有很大的動能后與晶格原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生大量電子－空穴對使反向電流急劇加大的現(xiàn)象。隧道擊穿：在強電場作用下，由隧道效應(yīng)，使大量電子從價帶穿過禁帶而進入到導(dǎo)帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。熱電擊穿：由于熱不穩(wěn)定性引起的p-n結(jié)擊穿，稱為熱電擊穿。p-n結(jié)的擊穿

2023/2/438§2p-n結(jié)

當外加電壓增加時，n區(qū)擴散區(qū)內(nèi)積累的非平衡空穴和與它保持電中性的電子相應(yīng)增加。同樣，p區(qū)擴散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子和與它保持電中性的空穴也相應(yīng)增加。

這種由于擴散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱為p–n結(jié)的擴散電容，用符號CD表示。2023/2/43939§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象表面態(tài)：周期性勢場因晶格的不完整性（雜質(zhì)原子或晶格缺陷）的存在而受到破壞時，會在禁帶中出現(xiàn)附加能級，所以這些附加的電子能態(tài)被稱為表面態(tài)。理想表面：在無限晶體中插進一個平面，然后將其分成兩部分，這個分界面叫理想表面。2023/2/44040§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

由于半導(dǎo)體載流子濃度是有限的，要積累一定面電荷就要占相當厚的一層，通常需要幾百以至上千個原子間距，稱這一帶電的半導(dǎo)體表面層為空間電荷區(qū)。在空間電荷區(qū)內(nèi)存在著電勢差，稱這種半導(dǎo)體幾何表面與體內(nèi)之間的電勢差為半導(dǎo)體的表面勢，用符號Vs表示。2023/2/44141§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)多數(shù)載流子勢能陡起的情形稱為表面勢壘。而半導(dǎo)體表面（x=0）處與內(nèi)部（x=d)處的勢能之差稱為表面勢壘高度，勢壘高度用符號qVD表示。顯然，表面勢壘高度2023/2/44242§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

p型半導(dǎo)體5種表面層狀態(tài)多數(shù)載流子堆積態(tài)

外電場背對p型半導(dǎo)體，即Vs<0，表面處能帶上彎，半導(dǎo)體表面形成所謂多數(shù)載流子的堆積層。2023/2/44343§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/44444§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2.平帶狀態(tài)理想的自由半導(dǎo)體表面，沒有任何外界作用因素，表面能帶不發(fā)生彎曲，半導(dǎo)體表面處于平帶的狀態(tài)。3.耗盡狀態(tài)假設(shè)外電場指向p型半導(dǎo)體表面，Vs>0，表面處能帶向下彎曲。外電場作用使半導(dǎo)體表面勢壘高到足以使表面層的多數(shù)載流子幾乎喪失完，表面層的電荷密度基本上等于電離雜質(zhì)的濃度，這樣的半導(dǎo)體表面層稱為多數(shù)載流子的耗盡狀態(tài)。2023/2/44545§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/44646§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象4.少數(shù)載流子反型狀態(tài)表面處的少數(shù)載流子（電子）濃度超過在該處的多數(shù)載流子（空穴）的濃度，形成了與原來半導(dǎo)體襯底導(dǎo)電類型相反的表面層，稱為少數(shù)載流子的反型層，如圖6-6所示。2023/2/44747§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/44848§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象弱反型條件:

強反型條件:可以看出，襯底摻雜質(zhì)濃度越高，出現(xiàn)反型所需要的VS就越大，就越難以達到強反型。2023/2/44949§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象一旦出現(xiàn)強反型，表面耗盡寬度就達到一個極大值，最大耗盡寬度為最大耗盡寬度由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和摻雜濃度來確定，對某一種材料NA越大，（或ND越大）xdm越?。粚Σ煌牟牧?，相同的摻雜，Eg越寬的材料，ni值越小，xdm越大。2023/2/45050§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象5.深耗盡狀態(tài)因為空間電荷區(qū)中多子對外電場改變的響應(yīng)幾乎是瞬時的（約10-12秒），而少子的響應(yīng)則要慢得多（約100~102秒），如果表面電場的幅度較大（其方向?qū)型半導(dǎo)體是由表面指向體內(nèi)）、變化又快（例如以階躍脈沖形式加上），則剛開始的瞬間少子還來不及產(chǎn)生，因而也就沒有反型層，為屏蔽外電場，只有將更多的空穴（多子）進一步排斥向體內(nèi)（空穴是多子，跟得上外電場變化），由更寬的耗盡層（大于強反型狀態(tài)時的耗盡層寬度）中的電離受主來承擔。這種非平衡狀態(tài)就叫深耗盡狀態(tài)。2023/2/45151§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

所有的金屬在

T＞0K的任何溫度下都會有少量的電子逸出金屬體外到空間中去，產(chǎn)生所謂熱電子發(fā)射。金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)k0為波爾茲曼常數(shù)；Wm稱為該金屬的功函數(shù)（也有稱為逸出功）。2023/2/45252§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象Wm越大，熱電子發(fā)射越困難，它標志著電子被金屬束縛的強弱2023/2/45353§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

功函數(shù)標志著起始能量等于費米能級EF的電子由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需的最小能量。2023/2/45454§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

與金屬類似，把E0與半導(dǎo)體費米能級EFS之間的能量差，稱為半導(dǎo)體的功函數(shù)，并用Ws表示為：2023/2/45555§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

用χ表示電子的親和能，它表示電子從半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底逸出體外所需要的最小能量，即：利用親和能，半導(dǎo)體的功函數(shù)又可以表示為：

式中En=Ec-EFS表示導(dǎo)帶底與費米能級能量之差。摻雜濃度不同，則En不同，所以不同摻雜濃度下功函數(shù)是不同的。2023/2/45656§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象接觸勢壘：金屬和半導(dǎo)體完全接觸之后，金屬和半導(dǎo)體之間相當于有一個外電場作用于半導(dǎo)體表面，而且電場E0是由半導(dǎo)體指向金屬，使半導(dǎo)體表面出現(xiàn)正的空間電荷區(qū)，形成電子勢壘，稱這種因金屬和半導(dǎo)體接觸而產(chǎn)生的半導(dǎo)體表面勢壘為接觸勢壘。2023/2/45757§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/45858§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象金屬和n型半導(dǎo)體接觸時有兩種情況:Wm<Ws

金屬的功函數(shù)小于半導(dǎo)體的功函數(shù)Wm>Ws

金屬的功函數(shù)大于半導(dǎo)體的功函數(shù)2023/2/45959§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象A:Wm<Ws金屬和半導(dǎo)體接觸時，電子將從金屬流向半導(dǎo)體；在半導(dǎo)體表面形成負的空間電荷區(qū)；電場方向由表面指向體內(nèi)；半導(dǎo)體表面電子的能量低于體內(nèi)的，能帶向下彎曲

在空間電荷區(qū)中，電子濃度要比體內(nèi)大得多，因此它是一個高電導(dǎo)的區(qū)域，稱為反阻擋層。2023/2/46060§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象金屬和半導(dǎo)體接觸時，電子將從半導(dǎo)體流向金屬；在半導(dǎo)體表面形成正的空間電荷區(qū)；電場方向由體內(nèi)指向表面；半導(dǎo)體表面電子的能量高于體內(nèi)的，能帶向上彎曲，形成表面勢壘。B:Wm>Ws

在勢壘區(qū)，空間電荷主要由電離施主形成，電子濃度要比體內(nèi)小得多，因此它是一個高阻的區(qū)域，稱為阻擋層。。2023/2/46161§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象形成n型和p型阻擋層的條件Wm>WsWm<Ws

n型

p型阻擋層反阻擋層阻擋層反阻擋層2023/2/46262§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/46363§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

金屬與半導(dǎo)體接觸的整流特性

金屬和半導(dǎo)體接觸要具有整流特性，首要的條件是接觸必須形成半導(dǎo)體表面的阻擋層，即形成多數(shù)載流子的接觸勢壘。2023/2/46464§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

當在阻擋層兩邊加上電壓V時，由于阻擋層是一個高阻區(qū)，外加電壓主要降落在阻擋層上，那么，阻擋層的表面勢變?yōu)椋╒s）0+V，因而電子勢壘高度變?yōu)椋?/p>

若金屬一邊接電源正極，N型半導(dǎo)體一邊接電源負極，則外加電壓降方向由金屬指向半導(dǎo)體V>0，外加電壓方向和接觸表面勢（Vs）0方向相反，使勢壘高度下降，電子可以順利地流過降低了的勢壘。2023/2/46565§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

當電源電極性接法反過來，半導(dǎo)體一邊接正極，金屬一邊接負極，則外加電壓V<0與接觸表面勢（Vs）0方向相同，勢壘高度上升，從半導(dǎo)體流向金屬的電子數(shù)減少，而金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)占優(yōu)勢，形成一股由半導(dǎo)體到金屬的反向電流。

對P型阻擋層，金屬一邊接電源負極，而半導(dǎo)體一邊接正極，對應(yīng)為通流的方向，而金屬一邊接正極半導(dǎo)體一邊接負極對應(yīng)為阻流方向。2023/2/46666§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

歐姆接觸因為一般的半導(dǎo)體器件都必須用金屬電極輸入或輸出電流，這就要求在金屬和半導(dǎo)體之間形成良好的歐姆接觸，所謂良好的歐姆接觸，就是接觸電阻應(yīng)該很小同時還應(yīng)該具有線性的和對稱的電流-電壓關(guān)系。2023/2/46767§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象目前在實際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)歐姆接觸的方法主要有兩種：其一是高摻雜接觸；其二是高復(fù)合接觸。2023/2/46868§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

理想MIS結(jié)構(gòu)電容

MIS結(jié)構(gòu)是由金屬、絕緣層以及半導(dǎo)體組成的（Metal+Insulator+Semiconductor）2023/2/46969§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象首先假設(shè)MIS結(jié)構(gòu)滿足下列所謂理想的條件：金屬和半導(dǎo)體之間功函數(shù)差為零；在絕緣層內(nèi)沒有任何電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電；絕緣層與半導(dǎo)體接觸界面處沒有任何界面態(tài)。MIS結(jié)構(gòu)的電容相當于絕緣層電容C0和半導(dǎo)體空間電荷層電容CS的串聯(lián)。2023/2/47070§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象其中CS是隨外加電壓而改變的，如同一個可調(diào)電容一樣。2023/2/47171§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象MIS結(jié)構(gòu)電容C除以絕緣層電容C0，得到歸一化的MIS結(jié)構(gòu)電容2023/2/47272§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性以P型半導(dǎo)體為例討論MIS結(jié)構(gòu)歸一化C-V特性負偏壓較大負偏壓較小正向電壓不太大正向電壓遠大于零高頻情況下，正向電壓很大2023/2/47373§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/47474§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象

從圖6-20中可以看出，在開始出現(xiàn)強反型層時，用低頻信號測得的電容值接近絕緣層的電容C0,這與前面的討論是一致的。然而，在高頻信號時，半導(dǎo)體表面出現(xiàn)強反型層后，電容達到了極小值，并不再隨外加偏壓VG而變化。2023/2/47575§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象對同一種半導(dǎo)體材料，當溫度一定時，

/C0是絕緣層厚度d0及襯底雜質(zhì)濃度NA的函數(shù)。當d0一定時，摻雜濃度NA越大

/C0的值也越大。

利用這一理論可以測半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)濃度。2023/2/47676§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象考慮金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)差時MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性與原來理想的MIS結(jié)構(gòu)的相比較，只是其平帶點發(fā)生了變化，由原來的VG=0處移到了VG=VFB處。2023/2/47777§3固體表面及界面接觸現(xiàn)象MIS結(jié)構(gòu)中絕緣層中存在電荷時，平帶電壓

平帶電壓與電荷在絕緣層的位置有關(guān)，當電荷貼近半導(dǎo)體時，x=d0時，VFB=-Q/C0達到極大值，反之電荷貼近金屬表面時，x=0，VFB=0。這說明電荷越接近半導(dǎo)體表面，對C-V特性影響就越大。若電荷位于金屬與絕緣層界面處時，對C-V特性沒有影響。2023/2/478當MIS結(jié)構(gòu)絕緣層中存在電荷時，同樣可以把理想的C-V特性曲線沿電壓軸平移VFB的電壓，便得到了實際的C-V特性曲線。如果MIS結(jié)構(gòu)既存在金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)差，又存在絕緣層中的電荷，那么C-V特性曲線所平移的平帶電壓，應(yīng)該是兩種因素所產(chǎn)生的平帶電壓的綜合結(jié)果?！?固體表面及界面接觸現(xiàn)象2023/2/479§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象光吸收分類：本征吸收：光照后，電子由價帶向?qū)У能S遷所引起的光吸收稱為本征吸收。光子能量滿足的條件：固體的光電現(xiàn)象包括：光的吸收、光電導(dǎo)、光生伏特效應(yīng)和光的發(fā)射非本征吸收：激子吸收，自由載流子吸收，雜質(zhì)吸收，晶格振動吸收等。2023/2/480§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象本征吸收長波限的公式：

根據(jù)半導(dǎo)體材料不同的禁帶寬度，可以算出相應(yīng)的本征吸收長波限。本征吸收的分類：直接躍遷和間接躍遷2023/2/481§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

其他吸收過程(非本征吸收)Ⅰ激子吸收

價帶電子受激發(fā)后不足以進入導(dǎo)帶而成為自由電子，仍然受到空穴的庫侖場作用。實際上，受激電子和空穴互相束縛而結(jié)合在一起成為一個新的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)稱為激子，這樣的光吸收稱為激子吸收。Ⅱ自由載流子吸收Ⅲ雜質(zhì)吸收Ⅳ晶格振動吸收2023/2/482§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/483§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象半導(dǎo)體的光電導(dǎo)

光吸收使半導(dǎo)體中形成非平衡載流子；而載流子濃度的增大必然使樣品電導(dǎo)率增大。這種由光照引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。本征光電導(dǎo)：本征吸收引起載流子數(shù)目變化。雜質(zhì)光電導(dǎo)：雜質(zhì)吸收引起載流子數(shù)目變化。2023/2/484§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

無光照時，半導(dǎo)體樣品的（暗）電導(dǎo)率

在整個光電導(dǎo)過程中，光生電子與熱平衡電子具有相同的遷移率。因此，光照下樣品的電導(dǎo)率熱平衡時

附加電導(dǎo)率因為2023/2/485§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象光照引起的附加電導(dǎo)率（光電導(dǎo)）光電導(dǎo)的相對值2023/2/486§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象從而定態(tài)光電導(dǎo)率(恒定光照下產(chǎn)生的光電導(dǎo)率)

設(shè)光生電子和空穴的壽命分別為和，則定態(tài)光生載流子的濃度：2023/2/487§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

當光照停止后光電導(dǎo)也是逐漸地消失。這種在光照下光電導(dǎo)率逐漸上升和光照停止后光電導(dǎo)率逐漸下降的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象或叫做光電導(dǎo)的弛豫過程。

光電導(dǎo)的弛豫過程2023/2/488§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

對于雜質(zhì)半導(dǎo)體，光照使束縛于雜質(zhì)能級上的電子或空穴電離，因而增加了導(dǎo)帶或價帶的載流子濃度，產(chǎn)生雜質(zhì)光電導(dǎo)。和本征光電導(dǎo)相比，雜質(zhì)光電導(dǎo)是十分微弱的。同時，所涉及到的能量都在紅外光范圍，激發(fā)光實際上不可能很強。雜質(zhì)光電導(dǎo)2023/2/489§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

當用適當波長的光照射非均勻半導(dǎo)體（p-n結(jié)等）時，由于內(nèi)建電場的作用（不加外電場），半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將p-n結(jié)短路，則會出現(xiàn)電流（光生電流）。這種由內(nèi)建電場引起的光電效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)2023/2/490§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象通過結(jié)的正向電流IF其中，V是光生電壓，Is是反向飽和電流光生電流IL

其中，A是p-n結(jié)面積，q是電子電量，表示在結(jié)的擴散長度內(nèi)非平衡載流子的平均產(chǎn)生率。2023/2/491§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象VEhνRL+-IIFpnIL如果電池與負載電阻接成通路，通過負載的電流為

這就是負載電阻上電流與電壓的關(guān)系，也就是光電池的伏安特性，其曲線如下圖。2023/2/492§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象無光照時有光照時2023/2/493§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象根據(jù)開路電壓p-n結(jié)在開路情況下，兩端的電壓即為開路電壓。這時I=0，IL=IF

，開路電壓為2023/2/494§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象

將p-n結(jié)短路（V=0），因而IF=0，這時所得的電流為短路電流Isc

。短路電流根據(jù)Voc和Isc是光電池的兩個重要參數(shù)。2023/2/495§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象半導(dǎo)體發(fā)光

電子從高能級向低能級躍遷，伴隨著發(fā)射光子。這就是半導(dǎo)體的發(fā)光現(xiàn)象。產(chǎn)生光子發(fā)射的主要條件是系統(tǒng)必須處于非平衡狀態(tài)，即半導(dǎo)體內(nèi)必須要有某種激發(fā)過程存在，通過非平衡載流子的復(fù)合，才能形成發(fā)光。電致發(fā)光:固體在加上電壓后的發(fā)光現(xiàn)象。它是由電場激發(fā)載流子，使電能直接轉(zhuǎn)換為光能的過程。光致發(fā)光:固體在加上光照后的發(fā)光現(xiàn)象。2023/2/496

電子從高能級向低能級躍遷時，如果躍遷過程伴隨放出光子，這種躍遷稱為輻射躍遷(復(fù)合)

。不發(fā)射光子的稱為無輻射躍遷(復(fù)合)

。§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象輻射躍遷(復(fù)合)光電材料產(chǎn)生光子發(fā)射的主要條件是系統(tǒng)必須處于非平衡狀態(tài)。2023/2/497本征躍遷

導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶，與價帶空穴相復(fù)合，伴隨著發(fā)射光子，稱為本征躍遷。它是本征吸收的逆過程。①直接帶隙半導(dǎo)體②間接帶隙半導(dǎo)體§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/498①直接帶隙半導(dǎo)體本征躍遷為直接躍遷。由于直接躍遷的發(fā)光過程只涉及一個電子–空穴對和一個光子，其輻射效率較高。

直接帶隙半導(dǎo)體是常用的發(fā)光材料。發(fā)射光子的能量：§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/499②間接帶隙半導(dǎo)體：本征躍遷為間接躍遷。在間接躍遷過程中，除了發(fā)射光子外，還有聲子參與。因此，這種躍遷比直接躍遷的幾率小得多。

硅、鍺都是間接帶隙半導(dǎo)體，他們的發(fā)光比較微弱。發(fā)射光子的能量：§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/4100非本征躍遷

電子從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級，或雜質(zhì)能級上的電子躍遷入價帶，或電子在雜質(zhì)能級之間的躍遷，都可以引起發(fā)光。這種躍遷稱為非本征躍遷。對間接帶隙半導(dǎo)體，本征躍遷是間接躍遷，幾率很小。這時，非本征躍遷起主要作用?！?固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象1.激子輻射復(fù)合2.能帶與雜質(zhì)能級之間的輻射躍遷3.施主與受主間的輻射躍遷2023/2/4101

電子和空穴復(fù)合時，也可以將能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝幽芰?，這就是伴隨著發(fā)射聲子的無輻射復(fù)合過程。

發(fā)光過程中同時存在輻射復(fù)合和無輻射復(fù)合。發(fā)光效率取決于非平衡載流子的輻射復(fù)合壽命和無輻射復(fù)合壽命的相對大小?！?固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象半導(dǎo)體的無輻射復(fù)合：不伴隨有發(fā)射光子的電子躍遷過程2023/2/4102(1)俄歇復(fù)合有三個載流子(兩個電子和一個空穴或兩個空穴和一個電子)參與的躍遷過程。如一個電子和一個空穴相復(fù)合時，所釋放出來的能量與動量交給第三個載流子，它可以通過發(fā)射聲子將此能量耗散，或者引起其它效應(yīng)?！?固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/4103(2)表面復(fù)合由于表面態(tài)的存在而引起的表面處發(fā)生的無輻射復(fù)合。1)表面態(tài)一般存在于禁帶之中2)表面態(tài)具有俘獲載流子的本領(lǐng)(陷阱)3)表面態(tài)形成的陷阱可轉(zhuǎn)化為復(fù)合中心§4固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/4104(3)通過缺陷或摻雜物的復(fù)合如果半導(dǎo)體內(nèi)部含有的局部缺陷及微小摻雜物建立起連續(xù)或準連續(xù)的能級譜，則可能發(fā)生與表面能級似的內(nèi)表面復(fù)合。(4)多聲子復(fù)合受激電子在復(fù)合躍遷時釋放出的能量通常比聲子的能量要大得多，因此需要以較高的幾率發(fā)射出一定數(shù)目的聲子。這個無輻射復(fù)合過程稱為多聲子復(fù)合?！?固體的光學性質(zhì)與固體中的光電現(xiàn)象2023/2/4